通信原理教案91

通信原理教案91一、教学目标1.深入理解通信系统的基本概念和组成部分。2.掌握各种通信信号的特征及表示方法。3.熟悉信道的特性和分类，理解信道对信号传输的影响。4.了解通信原理中的基本编码和调制技术，能分析其原理和性能。

二、教学重难点

（一）教学重点1.通信系统模型的各部分功能及其相互关系。2.模拟信号和数字信号的特点与区别，特别是数字信号的编码方式。3.常用的调制解调技术，如幅度调制、频率调制和相位调制。4.信道容量的概念及计算方法。

（二）教学难点1.各种调制技术的原理、实现方法及性能比较，尤其是调制信号的频谱分析。2.理解信道中的噪声对信号传输的影响，以及如何在有噪声环境下保证通信质量。3.编码理论中卷积码和Turbo码等复杂编码的原理和译码算法。

三、教学方法1.讲授法：系统讲解通信原理的基本概念、理论和方法，确保学生掌握基础知识。2.演示法：通过多媒体演示，展示通信系统的工作过程、信号波形变化以及调制解调的原理，增强学生的直观理解。3.讨论法：针对一些重点和难点问题，组织学生进行讨论，激发学生的思维，促进知识的深入理解。4.案例分析法：引入实际通信系统案例，分析其中的原理和应用，培养学生解决实际问题的能力。

四、教学内容

（一）通信系统概述1.通信的基本概念通信是指信息的传输与交换，目的是实现信息的有效传递。信息可以是语音、文字、图像、数据等各种形式。2.通信系统模型信源：产生信息的源头，如电话机、计算机等。发送设备：将信源发出的信息进行变换和处理，使其适合在信道中传输。例如，将语音信号转换为电信号，并进行调制等操作。信道：传输信号的媒质，如无线信道、有线电缆等。接收设备：从信道接收信号，并进行解调、译码等处理，恢复出原始信息。信宿：信息的接收者，如人、计算机等。详细讲解各部分之间的信息流向和相互关系，通过举例说明通信系统模型在实际通信中的应用。

（二）通信信号1.模拟信号与数字信号模拟信号定义：在时间和幅度上都是连续变化的信号。例如，语音信号、电视图像信号等。介绍模拟信号的波形特点，如正弦波、余弦波等。数字信号定义：在时间和幅度上都是离散的信号。例如，计算机中的二进制代码信号。讲解数字信号的表示方法，如二进制码元、多进制码元等。对比模拟信号和数字信号的优缺点，分析数字信号在现代通信中的优势。2.数字信号的编码不归零码（NRZ）原理：用高电平表示"1"，低电平表示"0"，在整个码元期间电平保持不变。波形演示：通过示波器展示NRZ码的波形。缺点：存在直流分量，且接收端难以确定码元的起止时刻。归零码（RZ）原理：每个码元的持续时间内，电平会在中间时刻归零，高电平表示"1"，低电平表示"0"。波形演示：展示RZ码波形。与NRZ码对比，说明其优缺点。曼彻斯特编码原理：每个码元的中间时刻发生电平跳变，从高电平到低电平的跳变表示"0"，从低电平到高电平的跳变表示"1"。波形演示：展示曼彻斯特编码波形。优点：自带同步信息，抗干扰能力强。差分曼彻斯特编码原理：每个码元的起始时刻根据前一个码元的电平是否跳变来决定，如果前一个码元结束时电平跳变，则当前码元起始时刻电平不跳变；反之则跳变。中间时刻的跳变表示数据"1"，不跳变表示数据"0"。波形演示：展示差分曼彻斯特编码波形。与曼彻斯特编码对比，说明其特点和应用场景。

（三）信道1.信道的分类有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆等。介绍有线信道的传输特性，如衰减、带宽等。无线信道包括地波传播、天波传播、视线传播等。分析无线信道的特点，如多径衰落、多普勒频移等。光纤信道讲解光纤的结构和工作原理。介绍光纤信道的优点，如大容量、低损耗等。2.信道特性信道损耗定义：信号在信道中传输时，由于各种原因导致的功率衰减。影响因素：包括线路电阻、介质损耗、辐射损耗等。计算方法：用分贝（dB）表示信道损耗，如\(L=10\log_{10}\frac{P_{in}}{P_{out}}\)，其中\(P_{in}\)为输入功率，\(P_{out}\)为输出功率。信道带宽定义：信道能够不失真地传输信号的频率范围。与信号传输速率的关系：根据奈奎斯特准则，为了无码间串扰地传输数字信号，信道带宽\(B\)与码元传输速率\(R_B\)之间满足\(R_B\leqslant2B\)。信道噪声分类：包括热噪声、散弹噪声、宇宙噪声等。特性：热噪声是最主要的噪声，其功率谱密度在整个频率范围内是均匀分布的，服从高斯分布。对信号传输的影响：噪声会干扰信号的正常传输，使接收端接收到的信号产生错误。

（四）模拟调制技术1.幅度调制（AM）原理：载波的幅度随调制信号的变化而变化。数学表达式：\(s_{AM}(t)=A_c[1+k_am(t)]\cos(\omega_ct)\)，其中\(A_c\)为载波幅度，\(k_a\)为比例系数，\(m(t)\)为调制信号，\(\omega_c\)为载波角频率。波形演示：展示AM调制信号的波形，包括调制信号、载波信号和已调信号。频谱分析：通过傅里叶变换分析AM信号的频谱特性，说明其包含载波分量和上下边带分量。解调方法：介绍包络检波法和解调同步检波法。2.双边带调制（DSB）原理：抑制载波的双边带调制，只传输两个边带信号。数学表达式：\(s_{DSB}(t)=A_cm(t)\cos(\omega_ct)\)。波形演示：展示DSB信号波形。频谱分析：分析DSB信号频谱，说明其只有上下边带，无载波分量。解调方法：同步检波法。3.单边带调制（SSB）原理：只传输一个边带信号，进一步节省带宽。实现方法：滤波法和相移法。波形演示：展示SSB信号波形。频谱分析：分析SSB信号频谱。解调方法：同步检波法。4.频率调制（FM）原理：载波的频率随调制信号的变化而变化。数学表达式：\(s_{FM}(t)=A_c\cos[\omega_ct+k_f\int_{\infty}^{t}m(\tau)d\tau]\)，其中\(k_f\)为频率偏移常数。波形演示：展示FM调制信号波形，说明其频率变化与调制信号的关系。频谱分析：FM信号频谱具有较宽的带宽，包含无穷多个边频分量。解调方法：鉴频法。

（五）数字调制技术1.二进制移幅键控（2ASK）原理：用载波的有无来表示二进制数字信号"1"和"0"。数学表达式：\(s_{2ASK}(t)=\begin{cases}A_c\cos(\omega_ct),&"1"\\0,&"0"\end{cases}\)。波形演示：展示2ASK信号波形。调制与解调方法：调制可采用开关电路实现，解调可采用包络检波法或相干解调法。2.二进制移频键控（2FSK）原理：用不同频率的载波来表示二进制数字信号"1"和"0"。数学表达式：\(s_{2FSK}(t)=\begin{cases}A_c\cos(\omega_{c1}t),&"1"\\A_c\cos(\omega_{c2}t),&"0"\end{cases}\)。波形演示：展示2FSK信号波形。调制与解调方法：调制可采用频率键控法，解调可采用相干解调法或非相干解调法。3.二进制移相键控（2PSK）原理：用载波的不同相位来表示二进制数字信号"1"和"0"。数学表达式：\(s_{2PSK}(t)=\begin{cases}A_c\cos(\omega_ct),&"1"\\A_c\cos(\omega_ct+\pi),&"0"\end{cases}\)。波形演示：展示2PSK信号波形。调制与解调方法：调制可采用相位键控法，解调需采用相干解调法。4.二进制差分移相键控（2DPSK）原理：利用前后码元的相对相位变化来表示数字信号。数学表达式：通过相位差来定义，如\(\Delta\varphi=\begin{cases}0,&"1"\\\pi,&"0"\end{cases}\)。波形演示：展示2DPSK信号波形。调制与解调方法：调制可通过对2PSK信号进行差分编码得到，解调可采用差分相干解调法。

（六）信道容量1.无噪声信道容量奈奎斯特准则：对于无噪声的理想低通信道，码元传输速率\(R_B\)与信道带宽\(B\)的关系为\(R_B\leqslant2B\)（单位：波特）。若码元携带的信息量为\(n\)比特，则信道容量\(C=nR_B\)（单位：比特/秒）。举例说明奈奎斯特准则在实际通信中的应用，如计算在一定带宽下的最大码元传输速率。2.有噪声信道容量香农公式：\(C=B\log_2(1+\frac{S}{N})\)，其中\(C\)为信道容量，\(B\)为信道带宽，\(S\)为信号功率，\(N\)为噪声功率。分析香农公式的含义，说明信道容量与带宽、信号噪声比之间的关系。通过实例计算，如已知信道带宽和信号噪声比，求信道容量。

五、教学过程

（一）课程导入（5分钟）通过播放一段视频，展示现代通信技术在人们生活中的广泛应用，如手机通信、卫星通信、互联网通信等，引出本次课程的主题通信原理。提问学生对通信系统的初步认识，激发学生的学习兴趣。

（二）知识讲解（30分钟）1.按照教学内容的顺序，逐步讲解通信系统概述、通信信号、信道、模拟调制技术、数字调制技术和信道容量等知识点。2.在讲解过程中，结合多媒体演示，如展示通信系统模型的动画、各种信号的波形图、调制解调的原理演示等，帮助学生直观理解抽象的概念和原理。3.适时提出问题，引导学生思考，如在讲解数字信号编码时，问学生不同编码方式的优缺点适用于哪些场景。鼓励学生积极参与课堂互动，解答他们的疑问。

（三）案例分析（20分钟）引入一个实际的通信系统案例，如手机通信系统。分析其中涉及的通信原理知识，包括信号的产生、调制、传输、解调以及信道的特性等。让学生分组讨论案例中的问题，如手机信号在不同环境下的传输质量受哪些因素影响，如何提高通信质量等。每组派代表发言，教师进行点评和总结，加深学生对通信原理的实际应用理解。

（四）课堂练习（15分钟）布置一些与本节课知识点相关的练习题，如计算某种调制信号的频谱、根据给定条件计算信道容量、分析数字调制信号的解调过程等。让学生在课堂上独立完成，教师巡视指导，及时发现学生存在的问题并给予解答。通过课堂练习，巩固学生所学的知识，提高他们运用知识解决问题的能力。

（五）课堂总结（5分钟）回顾本节课所学的主要内容，包括通信系统的基本概念、通信信号的分类与编码、信道的特性和分类、模拟调制技术和数字调制技术以及信道容量的计算等。强调重点和难点知识，提醒学生课后复习和进一步思考相关问题。

（六）课后作业1.书面作业简述通信系统模型中各部分的功能。对比模拟信号和数字信号的特点，举例说明数字信号编码方式的应用。推导AM信号的频谱表达式，并画出其频谱图。已知某信道带宽为4kHz，信号噪声比为20dB，求该信道的容量。2.实践作业利用MATLAB软件生成并绘制2ASK、2FSK、2PSK信号的波形图。搭建一个简单的模拟通信系统模型，如实现AM调制与解调，并记录实验结果。

六、教学资源1.教材：《通信原理》（第[X]版），[作者姓名]，[出版社名称]。2.多媒体课件：包含通信系统模型图、各种信号波形图、调制解调原理动画等。3.实验设备：示波器、信号发生器、计算机（安装MATLAB软件）等，用于课堂